Nguồn điện xoay chiều và tổn thất điện năng

Công suất của mạch chỉ có điện trở hoạt động được gọi là công suất hoạt động P. Nó được tính như bình thường bằng một trong các công thức sau:

Công suất hoạt động đặc trưng cho mức tiêu thụ không thể đảo ngược (không thể đảo ngược) của năng lượng hiện tại.

Trong chuỗi Dòng điện xoay chiều có nhiều nguyên nhân gây ra tổn thất năng lượng không thể phục hồi hơn trong các mạch điện một chiều. Những lý do này như sau:

1. Đốt nóng dây dẫn bằng dòng điện… Đối với dòng điện một chiều, đốt nóng gần như là hình thức tổn thất năng lượng duy nhất. Còn đối với dòng điện xoay chiều, cùng giá trị với dòng điện một chiều, thì năng lượng tổn thất để đốt nóng dây dẫn lớn hơn do điện trở của dây tăng lên do hiệu ứng bề mặt. Cao hơn tần số hiện tại, nó càng ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt và sự mất mát lớn hơn để làm nóng dây.

2. Tổn hao tạo ra dòng điện xoáy hay còn gọi là dòng điện Foucault… Dòng điện này sinh ra trong mọi vật kim loại trong từ trường do dòng điện xoay chiều sinh ra. từ hành động dòng điện xoáy vật kim loại nóng lên.Tổn thất dòng điện xoáy đặc biệt đáng kể có thể được quan sát thấy trong lõi thép. Tổn thất năng lượng để tạo ra dòng điện xoáy tăng theo tần suất tăng.

Dòng điện xoáy — trong lõi lớn, b — trong lõi phiến mỏng

3. Mất độ trễ từ... Dưới tác động của từ trường xoay chiều, các lõi sắt từ bị từ hóa lại. Trong trường hợp này, xảy ra ma sát lẫn nhau của các hạt lõi, do đó lõi nóng lên. Khi tần số tăng tổn thất từ từ trễ đang lớn lên.

4. Tổn hao trong chất điện môi rắn hoặc lỏng... Trong chất điện môi đó, điện trường xoay chiều gây ra sự phân cực của các phân tử, tức là các điện tích xuất hiện ở hai phía đối diện của phân tử, bằng nhau về giá trị nhưng khác dấu. Các phân tử phân cực quay dưới tác động của trường và chịu ma sát lẫn nhau. Do đó, chất điện môi nóng lên. Khi tần số tăng lên, tổn thất của nó tăng lên.

5. Tổn thất rò rỉ cách điện… Các chất cách điện được sử dụng không phải là chất điện môi lý tưởng và có thể quan sát thấy rò rỉ rò rỉ trong chúng. Nói cách khác, điện trở cách điện, mặc dù rất cao, nhưng không bằng vô cực. Loại tổn thất này cũng tồn tại trong dòng điện một chiều. Ở điện áp cao, điện tích thậm chí có thể bay vào không khí xung quanh dây dẫn.

6. Suy hao do bức xạ của sóng điện từ… Bất kỳ cáp AC nào phát ra sóng điện từ, và khi tần số tăng, năng lượng của sóng phát ra tăng mạnh (tỷ lệ với bình phương tần số).Sóng điện từ rời khỏi dây dẫn một cách không thể đảo ngược, và do đó năng lượng tiêu thụ để phát sóng tương đương với tổn thất trong một số điện trở hoạt động. Trong ăng-ten của máy phát vô tuyến, loại tổn thất này là tổn thất năng lượng hữu ích.

7. Tổn hao điện năng truyền tải đến các mạch khác... Hậu quả là hiện tượng cảm ứng điện từ một số nguồn điện xoay chiều được chuyển từ mạch này sang mạch khác nằm gần đó. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như trong máy biến thế, sự truyền năng lượng này là có lợi.

Điện trở hoạt động của mạch điện xoay chiều có tính đến tất cả các loại tổn thất năng lượng không thể phục hồi được liệt kê... Đối với mạch nối tiếp, bạn có thể định nghĩa điện trở hoạt động là tỷ lệ của công suất hoạt động, cường độ của tất cả các tổn thất trên bình phương của hiện tại:

Do đó, đối với một dòng điện nhất định, điện trở hoạt động của mạch càng lớn thì công suất hoạt động càng lớn, tức là tổng tổn thất năng lượng càng lớn.

Công suất trong đoạn mạch có điện trở cảm gọi là công suất phản kháng Q... Nó đặc trưng cho năng lượng phản kháng, tức là năng lượng không bị tiêu hao không hồi phục mà chỉ được tích trữ tạm thời trong từ trường. Để phân biệt với công suất tác dụng, công suất phản kháng không được đo bằng watt mà bằng vôn-ampe phản kháng (var hoặc var)... Về mặt này, trước đây nó được gọi là khan.

Công suất phản kháng được xác định theo một trong các công thức:

trong đó UL là điện áp trong phần có điện trở cảm ứng xL; Tôi là hiện tại trong phần này.

Đối với mạch nối tiếp có điện trở hoạt động và cảm ứng, khái niệm tổng công suất S được đưa ra... Nó được xác định bằng tích của tổng điện áp mạch U và dòng điện I và được biểu thị bằng vôn-ampe (VA hoặc VA)

Công suất trong phần có điện trở hoạt động được tính theo một trong các công thức trên hoặc theo công thức:

trong đó φ là góc pha giữa điện áp U và dòng điện I.

Hệ số cosφ là hệ số công suất… Nó thường được gọi là «cosin phi»… Hệ số công suất cho biết bao nhiêu phần trăm trong tổng công suất là công suất hoạt động:

Giá trị của cosφ có thể thay đổi từ 0 đến 1, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa điện trở hoạt động và phản kháng. Nếu chỉ có một trong mạch phản ứng, khi đó φ = 90°, cosφ = 0, P = 0 và công suất trong mạch hoàn toàn là công suất phản kháng. Nếu chỉ có điện trở hoạt động thì φ = 0, cosφ = 1 và P = S, tức là toàn bộ công suất trong mạch đều là điện trở thuần.

Cosφ càng thấp, phần công suất tác dụng trên công suất biểu kiến ​​càng nhỏ và công suất phản kháng càng cao. Nhưng công việc của dòng điện, tức là sự chuyển đổi năng lượng của nó thành một dạng năng lượng khác, chỉ được đặc trưng bởi công suất hoạt động. Còn công suất phản kháng đặc trưng cho năng lượng dao động giữa phần máy phát và phần phản kháng của mạch điện.

Đối với lưới điện, nó vô dụng và thậm chí có hại. Cần lưu ý rằng trong kỹ thuật vô tuyến, công suất phản kháng là cần thiết và hữu ích trong một số trường hợp. Ví dụ, trong các mạch dao động, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến và được sử dụng để tạo ra các dao động điện, cường độ của các dao động này hầu như hoàn toàn là phản ứng.
Biểu đồ véc tơ cho thấy việc thay đổi cosφ sẽ thay đổi dòng điện I của máy thu như thế nào với công suất không thay đổi.

Sơ đồ véc tơ của dòng máy thu ở công suất không đổi và các hệ số công suất khác nhau

Có thể thấy, hệ số công suất cosφ là một chỉ số quan trọng về mức độ sử dụng tổng công suất do máy phát EMF xoay chiều tạo ra... Cần đặc biệt lưu ý rằng ở cosφ < 1 ​​máy phát phải tạo ra điện áp và dòng điện có tích lớn hơn công suất tác dụng. Ví dụ: nếu công suất hoạt động trong mạng điện là 1000 kW và cosφ = 0,8 thì công suất biểu kiến ​​sẽ bằng:

Giả sử rằng trong trường hợp này, công suất thực thu được ở điện áp 100 kV và cường độ dòng điện 10 A. Tuy nhiên, máy phát phải tạo ra điện áp 125 kV để công suất biểu kiến ​​là

Rõ ràng là việc sử dụng máy phát điện cho điện áp cao hơn là bất lợi và hơn nữa, ở điện áp cao hơn, cần phải cải thiện cách điện của dây dẫn để tránh rò rỉ hoặc hư hỏng gia tăng. Điều này sẽ dẫn đến tăng giá điện lưới.

Nhu cầu tăng điện áp máy phát do có công suất phản kháng là đặc trưng của mạch nối tiếp có điện trở hoạt động và phản kháng. Nếu có một mạch song song với các nhánh hoạt động và phản ứng, thì máy phát phải tạo ra dòng điện nhiều hơn mức cần thiết với một điện trở hoạt động. Nói cách khác, máy phát được nạp thêm dòng điện phản kháng.

Ví dụ: đối với các giá trị trên P = 1000 kW, cosφ = 0,8 và S = 1250 kVA, khi kết nối song song, máy phát phải cung cấp dòng điện không phải 10 A mà là 12,5 A ở điện áp 100 kV .trong trường hợp này, không chỉ máy phát điện phải được thiết kế cho dòng điện lớn hơn mà các dây dẫn của đường dây điện mà dòng điện này sẽ truyền qua sẽ phải có độ dày lớn hơn, điều này cũng sẽ làm tăng chi phí trên mỗi đường dây. Nếu trong đường dây và tại các cuộn dây của máy phát điện có dây được thiết kế cho dòng điện 10 A, thì rõ ràng dòng điện 12,5 A sẽ làm tăng nhiệt ở các dây này.

Vì vậy, mặc dù có thêm dòng điện phản ứng chuyển năng lượng phản kháng từ máy phát sang tải phản kháng và ngược lại, nhưng tạo ra tổn thất năng lượng không cần thiết do điện trở hoạt động của dây dẫn.

Trong các mạng điện hiện có, các phần có điện trở phản kháng có thể được kết nối cả nối tiếp và song song với các phần có điện trở hoạt động. Do đó, các máy phát điện phải tăng điện áp và tăng dòng điện để tạo ra, ngoài công suất tác dụng hữu ích, công suất phản kháng.

Từ những gì đã nói, rõ ràng tầm quan trọng của điện khí hóa tăng giá trị cosφ… Sự suy giảm của nó là do bao gồm các tải phản kháng trong mạng điện. Ví dụ, động cơ điện hoặc máy biến áp chạy không tải hoặc không đầy tải sẽ tạo ra tải phản kháng đáng kể vì chúng có điện cảm cuộn dây tương đối cao. Để tăng cosφ, điều quan trọng là động cơ và máy biến áp phải hoạt động ở mức đầy tải. Nó có tồn tại một số cách để tăng cosφ.

Tóm lại, chúng tôi lưu ý rằng cả ba lực được liên kết với nhau bởi mối quan hệ sau:

nghĩa là, công suất biểu kiến ​​không phải là tổng số học của công suất tác dụng và phản kháng.Người ta thường nói rằng lũy ​​thừa S là tổng hình học của lũy thừa P và Q.

Xem thêm: Điện kháng trong kỹ thuật điện